溶解氧電極的工作原理及技術(shù)發(fā)展

溶解氧電極作為生物發(fā)酵過程中關鍵的在線監(jiān)測設備，其工作原理主要基于電化學檢測方法。

目前市場上主流的溶解氧電極可分為極譜式和原電池式兩種類型。極譜式電極采用三電極系統(tǒng)，包括工作電極（通常為金或鉑）、對電極和參比電極，在工作電極表面施加穩(wěn)定的極化電壓（通常為-0.6至-0.8V），溶解氧透過選擇性透氣膜后在電極表面發(fā)生還原反應，產(chǎn)生的電流信號與溶解氧濃度成正比。

近年來，溶解氧傳感技術(shù)取得了進展。傳統(tǒng)電化學電極逐漸被基于熒光猝滅原理的光學傳感器所補充。光學傳感器利用特定熒光物質(zhì)在氧分子作用下的熒光壽命變化來測定溶解氧濃度，具有無需極化、不受流速影響、維護簡單等優(yōu)勢。

在發(fā)酵應用中，溶解氧電極面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)包括：高溫滅菌（121℃、30分鐘）條件下的穩(wěn)定性、長期運行的漂移控制、抗培養(yǎng)基污染能力等。現(xiàn)代電極采用特殊的膜材料（如PTFE復合膜）和固態(tài)電解質(zhì)技術(shù)，使使用壽命延長至12-18個月。某大型氨基酸生產(chǎn)企業(yè)的對比數(shù)據(jù)顯示，采用新型電極后，校準周期從3天延長至2周，年維護成本降低40%。 食品工業(yè)中，溶氧電極用于檢測包裝內(nèi)殘氧，確保產(chǎn)品保質(zhì)期。四川污水處理用溶解氧電極

溶氧電極——溶氧對生物發(fā)酵產(chǎn)類胡蘿卜素影響案列：1、典型案例?紅酵母（Rhodotorulaglutinis）DO維持在30%時，β-胡蘿卜素產(chǎn)量較10%DO提高2-3倍。（1）三孢布拉霉（Blakesleatrispora）兩階段控制：0-24hDO=50%24-120hDO=20%β-胡蘿卜素產(chǎn)量達1.5g/L。（2）雨生紅球藻（Haematococcuspluvialis）低氧DO<10%誘導蝦青素積累，但需結(jié)合高光強脅迫。二、挑戰(zhàn)與未來方向：（1）動態(tài)監(jiān)測：在線DO傳感器與代謝通量分析結(jié)合，實現(xiàn)實時調(diào)控。（2）合成生物學：構(gòu)建氧不敏感菌株或人工?氧響應途徑。（3）節(jié)能優(yōu)化：開發(fā)低能耗曝氣系統(tǒng)（如微氣泡曝氣）通過調(diào)控溶解氧，可提高類胡蘿卜素的發(fā)酵產(chǎn)量和經(jīng)濟性，但需結(jié)合菌種特性、工藝參數(shù)及成本進行綜合優(yōu)化。耐消殺溶氧電極批發(fā)溶解氧電極的維護成本是發(fā)酵工廠選型時的重要考量因素，影響長期經(jīng)濟效益。

在使用溶氧電極的過程中，可能會出現(xiàn)各種故障，如電極響應時間過長、測量結(jié)果不準確等。對于這些故障，需要進行及時的診斷和排除。故障診斷的方法包括檢查電極的連接是否良好、電極是否損壞、電極膜是否過期等。根據(jù)故障診斷的結(jié)果，可以采取相應的措施進行排除，如重新連接電極、更換電極、更換電極膜等。以某發(fā)酵罐廠為例，該廠在生產(chǎn)過程中使用了溶氧電極對發(fā)酵過程進行實時監(jiān)測。通過對溶氧電極數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵過程中的溶氧水平存在波動。經(jīng)過進一步的調(diào)查和分析，發(fā)現(xiàn)是由于通氣量不穩(wěn)定導致的。該廠采取了相應的措施，如調(diào)整通氣量控制系統(tǒng)、增加備用通氣設備等，有效地解決了溶氧水平波動的問題，提高了發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)量和質(zhì)量。

    1、大腸桿菌對溶氧的需求，大腸桿菌是一種兼性厭氧菌，在有氧條件下可通過有氧呼吸高效代謝。在高密度發(fā)酵過程中，充足的氧氣供應至關重要，通常需要將溶解氧（DO）水平維持在20%-30%。若DO低于此范圍，菌體可能轉(zhuǎn)向厭氧代謝，通過“Crabtree效應”積累乙酸，進而抑制蛋白質(zhì)合成和菌體生長，影響發(fā)酵效率。2、DO-STAT控制策略，DO-STAT（溶氧關聯(lián)補料控制）是一種基于實時溶氧反饋的智能補料技術(shù)，通過動態(tài)調(diào)節(jié)補料速率使耗氧與供氧達到平衡。該技術(shù)廣泛應用于工業(yè)微生物發(fā)酵領域，尤其在大腸桿菌和酵母菌的高密度培養(yǎng)中表現(xiàn)優(yōu)異，是重組蛋白、疫苗及酶制劑生產(chǎn)的關鍵工藝之一。溶氧水平的精細控制直接決定了菌體生長速率和產(chǎn)物合成效率。3、溶氧監(jiān)測，目前發(fā)酵過程中的溶氧在線監(jiān)測主要依賴兩類傳感器，極譜型溶氧電極：傳統(tǒng)電化學傳感器，響應快，需定期維護。光學溶氧傳感器：基于熒光淬滅原理，穩(wěn)定性高，維護需求低。4、溶氧分段控制根據(jù)發(fā)酵階段動態(tài)調(diào)整DO水平，可大幅度提升產(chǎn)物產(chǎn)量，生長期：維持DO20%-30%，配合高攪拌速率（500-800rpm），促進菌體快速增殖。誘導期：降低DO至10%-20%，減少乙酸積累，同時促進外源蛋白表達（如IPTG誘導系統(tǒng)）。 溶氧電極的膜破損會導致電解液滲漏，需立即停止使用并更換。

淀粉液化芽孢桿菌、出芽短梗霉和短梗霉，在生物發(fā)酵產(chǎn)酶過程中對溶氧電極水平的具體需求和差異說明。1、淀粉液化芽孢桿菌（Bacillus amyloliquefaciens）BS5582 在 IOL - 全自動發(fā)酵罐規(guī)模生產(chǎn) β- 葡聚糖酶時，通過控制通氣量、罐壓和攪拌轉(zhuǎn)速進行溶氧優(yōu)化。在裝液量 6L，接種量 6.67％，發(fā)酵溫度 37℃的條件下，優(yōu)化后通氣量 9L/min，攪拌轉(zhuǎn)速 600r／min，罐壓 0.6MPa，β- 葡聚糖酶酶活在 44h 達到 511U／mL，比優(yōu)化前提高了 122.76％。2、從自然界中分離篩選出的短梗霉菌株 ipe-3 和 ipe-5，經(jīng) 2.7L 發(fā)酵罐發(fā)酵。研究發(fā)現(xiàn)，在 70％溶氧條件下，ipe-3 聚蘋果酸產(chǎn)量為 10.027g/L，蘋果酸產(chǎn)量為 5.70g/L，ipe-5 聚蘋果酸產(chǎn)量為 03g/L，蘋果酸產(chǎn)量較高為 57.24g/L。與 70％溶氧條件下發(fā)酵產(chǎn)量相比，在 10％溶氧條件下，ipe-3 聚蘋果酸產(chǎn)量降低了 41.67％，蘋果酸產(chǎn)量降低了 62.63％；ipe-5 不產(chǎn)聚蘋果酸，蘋果酸產(chǎn)量降低了 83.05％。得出溶氧降低導致菌體濃度及葡萄糖利用速率降低，從而造成短梗霉發(fā)酵產(chǎn)酸的產(chǎn)量降低。中外合資企業(yè)促進溶氧電極技術(shù)本地化，適應不同水質(zhì)條件。耐消殺溶氧電極批發(fā)

溶解氧電極的耐腐蝕性能影響其在酸性或堿性發(fā)酵液中的長期可靠性。四川污水處理用溶解氧電極

如何結(jié)合先進的控制技術(shù)實現(xiàn)對溶氧電極水平的精確控制以提高產(chǎn)酶效率？1、采用模型參考自適應控制（MRAC）MohamedBahita等人在2022年的研究中，基于遞歸二乘識別方法，提出了一種模型參考自適應控制（MRAC）應用于非線性系統(tǒng)中溶解氧濃度的控制，該系統(tǒng)為活性污泥生物反應器，大量用于廢水處理和凈化操作。通過與經(jīng)典的PI控制方法進行比較，驗證了該方法在MATLAB環(huán)境中的有效性。這種自適應控制技術(shù)能夠根據(jù)系統(tǒng)的實際運行情況不斷調(diào)整控制參數(shù)，以實現(xiàn)對溶氧水平的精確控制，從而為提高產(chǎn)酶效率創(chuàng)造有利條件。2、分階段供氧控制策略何寧等人在2004年的研究中，在3L發(fā)酵罐上系統(tǒng)研究了溶氧水平對谷氨酸棒桿菌菌體生長及新型生物絮凝劑REA-11合成的影響，提出了生物絮凝劑REA-11合成的分階段供氧控制策略。具體為發(fā)酵過程0-16h維持體積傳氧系數(shù)kLa為100h?1，16h后降低kLa為40h?1至發(fā)酵結(jié)束，整個發(fā)酵過程通氣量保持在1L?L?1?min?1。采用該分階段供氧控制策略，生物絮凝劑產(chǎn)量達到900mg?L?1，發(fā)酵周期縮短，實現(xiàn)了高細胞生長速率和高產(chǎn)物產(chǎn)率的統(tǒng)一。這種控制策略可以根據(jù)不同發(fā)酵階段的需求，精確調(diào)整溶氧水平，為提高產(chǎn)酶效率提供了一種有效的方法。四川污水處理用溶解氧電極